在很長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，科學(xué)家們一直在尋找一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)制造紅外脈沖的激光，目前，這一目標(biāo)在維也納技術(shù)大學(xué)（Vienna University of Technology）得以實(shí)現(xiàn)，他們同哈佛大學(xué)的研究人員開(kāi)展合作研究實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。這一新技術(shù)不再需要比較苯大的設(shè)備設(shè)施，它可以以比較小型化和尤其比較適合應(yīng)用于實(shí)踐中應(yīng)用的特定場(chǎng)合。這一最新研究成果發(fā)表在近期出版的Nature子刊《Nature Communications》上。

量子級(jí)聯(lián)激光器（Quantum cascade lasers (QCL)）在產(chǎn)生中紅外激光方面具有革命性的變化。然而，超快的攜帶傳輸在中紅外的量子級(jí)聯(lián)激光器到目前位置還認(rèn)為在形成超短脈沖信息時(shí)還存在明顯的障礙。在這里，我們?yōu)榇蠹艺故玖艘粋€(gè)增益介質(zhì)的仔細(xì)的量子設(shè)計(jì)和控制模間拍同步以促使從量子級(jí)聯(lián)激光器的頻率梳中傳輸有限的皮秒脈沖。干涉射頻技術(shù)和二階自相關(guān)均可以闡明脈沖動(dòng)力學(xué)和證實(shí)鎖模操作可以在門(mén)檻值到翻轉(zhuǎn)電流均可以實(shí)現(xiàn)。而且，我們的研究顯示，反相和同相同步的狀態(tài)均可以在量子級(jí)聯(lián)激光器中存在。同時(shí)具有電泵浦和結(jié)構(gòu)緊湊，鎖模的量子激光器，為單片集成非線性光子學(xué)在分子指印區(qū)域超過(guò)6μm波長(zhǎng)的范圍進(jìn)行測(cè)量鋪平了道路。

通常的固態(tài)激光，如用放映ppt所使用的激光筆，其產(chǎn)生的激光屬于可見(jiàn)光的波段。對(duì)于許多應(yīng)用場(chǎng)合，然而，例如在探測(cè)分子的場(chǎng)合，就需要發(fā)射中紅外波長(zhǎng)范圍的光來(lái)進(jìn)行探測(cè)。這一波段的紅外激光在制造的時(shí)候非常不容易，尤其是在激光的發(fā)射需要極端短且強(qiáng)度比較高的脈沖的時(shí)候更是如此。

用于鎖模的量子級(jí)聯(lián)激光器（quantum cascade lasers）的雙功能

頻率梳

我們所產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)位于中紅外的范圍，且屬于定制的量子級(jí)聯(lián)激光器，這一激光器是在維也納技術(shù)大學(xué)超現(xiàn)代的納米中心完成的。 Johannes Hillbrand說(shuō)到，他是維也納技術(shù)大學(xué)固態(tài)電子研究所的研究人員，該論文的第一作者。當(dāng)在通常的固態(tài)激光器中，其發(fā)射的激光類(lèi)型通常取決于材料，對(duì)于量子級(jí)聯(lián)激光器來(lái)說(shuō)，則取決于納米尺度范圍內(nèi)的微小的結(jié)構(gòu)。通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)這些結(jié)構(gòu)，其發(fā)射的激光波長(zhǎng)則可以被精確的進(jìn)行調(diào)節(jié)。

我們的量子級(jí)聯(lián)激光器并不僅僅是一個(gè)單色的激光，同時(shí)還具有在幾乎所有的不同的頻率范圍內(nèi)可以進(jìn)行調(diào)節(jié)的功能， Benedikt Schwarz副教授說(shuō)到，它領(lǐng)導(dǎo)著這一研究。這些頻率可以非常均勻規(guī)律的進(jìn)行調(diào)節(jié)，其頻率調(diào)節(jié)的時(shí)候同兩者之間的距離幾乎相等，如同一個(gè)梳子一樣。因此，這一頻率被稱之為頻率梳。

激光就像一個(gè)鐘擺

然而，這一量子級(jí)聯(lián)激光器發(fā)射的頻率不僅是非常關(guān)鍵的，同時(shí)各自的光波振蕩的相位也是非常重要的。你可以將這一現(xiàn)象同時(shí)用一個(gè)橡皮筋將兩個(gè)鐘擺連接在一起的情況進(jìn)行比較，Johannes Hillbrand解釋說(shuō)，他們可以來(lái)回?cái)[動(dòng)，要么完全是平行的，或者是相對(duì)的，因此他們要么來(lái)回?cái)[動(dòng)，要么兩者互相分離。并且兩個(gè)振動(dòng)模型存在稍有不同的頻率。

這同激光也非常相似，激光是由不同波長(zhǎng)的光所組成的。不同的單個(gè)的頻率梳的波長(zhǎng)可以完全在同步的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)振動(dòng)，于是他們可以在一個(gè)優(yōu)化的方式上進(jìn)行使(圖像甲)疊映在(圖像乙)上和可以產(chǎn)生短的，強(qiáng)烈的激光脈沖?；蛘叽藭r(shí)他們可以在他們的震蕩時(shí)進(jìn)行偏移，此時(shí)就沒(méi)有脈沖產(chǎn)生，但激光卻處于一個(gè)幾乎為連續(xù)的強(qiáng)度的狀態(tài)。

光調(diào)制器

在量子級(jí)聯(lián)激光器中，在早先的時(shí)候時(shí)很難在兩個(gè)不同的變量之間來(lái)回切換的，Johannes Hillbrand說(shuō)到。然而，我們構(gòu)建了一個(gè)微小型的光調(diào)制器放置于量子級(jí)聯(lián)激光器中，此時(shí)光波不斷的穿過(guò)它。一個(gè)交流的電壓施加在這一光調(diào)制器上。取決于電壓的頻率和電壓的強(qiáng)度，不同的光震蕩就可以在激光中被激發(fā)出來(lái)。

如果你在完全正確的頻率來(lái)驅(qū)動(dòng)這個(gè)調(diào)制器的話，你就可以獲得我們頻率梳的不同頻率，均可以確實(shí)的進(jìn)行同步振蕩，Benedikt Schwarz說(shuō)到，這就使得有可能將這些頻率整合成一個(gè)短的，強(qiáng)度高的激光脈沖中，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)每秒120億次。

T控制這一短的紅外激光脈沖的水平在以前采用半導(dǎo)體激光幾乎是不可能的。相似的光只能在使用非常昂貴和有損耗的辦法才能實(shí)現(xiàn)。目前我們的技術(shù)一個(gè)最突出的優(yōu)勢(shì)就是可以實(shí)現(xiàn)小型化， Benedikt Schwarz強(qiáng)調(diào)說(shuō)。我們可以使用它來(lái)制造出結(jié)構(gòu)緊湊的測(cè)量?jī)x器，例如，來(lái)使用這些特殊的激光束來(lái)搜索氣體樣品中特定的分子。得益于這一激光脈沖的高的激光強(qiáng)度，測(cè)量需要在同時(shí)進(jìn)行雙光子就行測(cè)量的時(shí)候也是可能實(shí)現(xiàn)的。

More information:Johannes Hillbrand et al. Mode-locked short pulses from an 8 μm wavelength semiconductor laser, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-19592-1